构建机器学习-热力学耦合模型，动态模拟玉米秸秆“厌氧发酵-气化”全链条产气行为，预测精度达91.3%，比传统单模型提升12.5%；提出碳减排效益指数MS，发现发酵3 d即转入气化可获得0.069 gCO₂eq最优减排，较单工艺提升55.6%，为沼渣高值化与碳减排协同提供量化路径。

生物质厌氧发酵–气化耦合处置过程模拟与碳效益评估

■ 作者

葛亚东1, 袁壮1, 张睿1, 王智1, 颜蓓蓓1, 陶俊宇2, 陈冠益2

■ 单位

1. 天津大学 环境科学与工程学院; 2. 天津商业大学 机械工程学院

■ 引用格式

葛亚东，袁壮，张睿，等.生物质厌氧发酵–气化耦合处置过程模拟与碳效益评估[J].洁净煤技术，2025，31（9）：122−130.GE Yadong，YUAN Zhuang，ZHANG Rui，et al. Carbon footprint reduction and process simulation of a combined biomass anaerobic digestion-gasification system[J].Clean Coal Technology，2025，31（9）：122−130.

创新点

将SVM-ADM1与ANN-热力学平衡模型串联，实现发酵-气化跨尺度动态耦合；提出以“宏元素分子”与无量纲化单位统一接口，解决两过程时间尺度与参数单位不一致难题；构建MS碳减排效益指数，量化替代天然气带来的减排收益，为短发酵耦合气化工艺优化提供直接判据。

研究背景

厌氧发酵产沼气技术成熟但受木质素抗性限制，原料利用率低、沼渣易二次污染；气化可彻底转化残渣为高值合成气，却需干燥与高品质原料。将发酵作为预处理，适度降解易分解组分并富集木质素，再气化残渣，可兼顾产能与残渣处置。然而两过程反应机理、动力学参数差异显著，传统试错试验难以快速匹配最优发酵终点与气化条件，且缺乏面向碳减排的量化评估指标，亟需构建高精度耦合模型指导工艺放大。

研究内容

研究以玉米秸秆为例，采用SVM算法对ADM1关键动力学参数进行训练与预测，建立SVM-ADM1发酵模型；同步利用贝叶斯优化ANN-热力学平衡模型，输入元素组成、温度、当量比等7个特征，输出H₂、CO、CH₄、CO₂体积分数，实现气化产物智能预测；以“宏元素分子”桥接两模型，将发酵产物元素分布无量纲化后导入气化模型，完成0~21 d全周期耦合模拟。通过R²、RMSE、MAPE三重指标验证，耦合模型对合成气组分预测平均精度91.3%，比单一气化模型提高12.5%；结合沼渣工业分析、元素变化与产气热值，提出MS指数量化替代天然气带来的碳减排，系统揭示发酵3 d时MS达峰值0.069 gCO₂eq，较单独厌氧发酵或气化分别提升55.6%和44.2%，并给出最优发酵-气化切换窗口及工艺参数。

研究结论

1）耦合模型对发酵甲烷与合成气组分预测精度分别达0.98与0.91以上，显著优于传统单模型。

2）发酵0~3 d易降解组分快速消耗，沼渣C、O含量下降，N相对富集，合成气产率与热值同步提升，为后续气化提供优质原料。

3）MS指数在发酵第3天取得最大值0.069 gCO₂eq，此时切换气化可获得最优碳减排；延长发酵至21 d MS下降22%，证明适度发酵即可兼顾产能与减排。

4）与单工艺相比，耦合系统碳减排效益平均提升50%，为规模化生物质梯级利用与碳管理提供了可直接复制的技术路线。

重要图表

图1 ADM1关键参数拟合度分析

图4 厌氧发酵产甲烷特性的模拟值与试验值

图6 沼渣气化合成气组成及产率

图8 耦合过程碳减排效益分析

通讯作者简介

王智，助理研究员，任职于天津大学环境科学与工程学院，国家资助博士后研究人员计划B档获得者。主要研究方向为生物质能源化技术机理研究与数值模拟。先后主持国家自然科学基金青年科学基金项目（C类）、国家重点研发计划子课题等项目多项。发表论文40余篇，以一作/通讯发表SCI论文21篇；申请/授权相关专利9项，软著1项；获第三届全国博士后创新创业大赛天津赛区银奖、全生命周期碳中和创新大赛一等奖等荣誉。

课题组简介

生物质能源环境创新团队着眼于我国当前和未来面临的环境与能源问题，坚持面向世界科技前沿和国家重大需求，致力于通过热能、环境、生物、化学、信息等多学科交叉研究，重点解决我国能源环境领域问题。团队通过学科交叉、专业互补、资源共享、学术品格、学风营造，逐步形成了以陈冠益、颜蓓蓓教授为带头人的创新团队，先后承担了国家自然科学基金重点项目/优秀青年项目/面上项目/青年项目、国家重点研发计划项目（含战略国际合作项目、政府间国际合作项目、青年科学家项目）、国家环保公益项目、欧盟项目、中荷政府合作项目等，取得了显著性成果，包括国家科技进步一等奖、二等奖、省部级科技进步一、二、三等奖等奖励；累计发表文章900余篇，授权专利90余项，(日本、美国、欧盟、澳大利亚等)，软件登记6项，制定标准8项，主编专著9部、教材2本。

生物质能源环境创新团队成员

■ 阅读原文

https://www.chinacaj.net/JJMS/doi/10.13226/j.issn.1006-6772.SWZ25042801